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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET-Treiber-Schaltung zur Stromregelgung für Ventile


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Autor: Max H. (maxfunke)
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Hallo zusammen,

ich bastle zurzeit an einer Schaltung, die das 5V-PWM-Signal aus einer 
Steuerung in ein 12V-PWM-Signal umwandeln/verstärken soll. Dafür habe 
ich mir einen MOSFET-Treiber (IR2184) besorgt. Die Schaltung soll für 
eine Stromregelung von Ventilen dienen, wobei bis zu 2,5A fließen.

In der Simulation mit LTSpice funktioniert meine Schaltung einwandfrei. 
Allerdings weiß ich nicht, wie genau das simulierte Ventil der Realität 
entspricht. Auch bei meinen Messungen mit dem Oszilloskop macht die 
Schaltung bei Frequenzen bis zu 10kHz ausgangsseitig ein gutes 
Rechtecksignal. Allerdings soll der Treiber für bis zu 60kHz ausgelegt 
sein und bei diesen Frequenzen werden die Transistoren leider sehr heiß 
und das Signal ist sehr verzerrt. Außerdem soll das Ganze auch für den 
Dauerbetrieb geeignet sein.

Meine Vermutung ist, dass die Transistor nicht schnell genug 
durchschalten und dadurch hohe Verlustleistungen erzeugen. Die gesamte 
Schaltung ist auf einem Breadboard aufgebaut. Kann es sein, dass durch 
parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten ungewollte Effekte entstehen? 
Könnte es sich auf einer gelöteten Platine anders verhalten?

Oder habt ihr aufgrund meines Schaltplans noch andere Ideen wie ich die 
Schaltung verbessern könnte? Bin ich vielleicht komplett auf dem 
falschen Weg? Alle Tipps sind willkommen!

Vielen Dank schonmal.

Grüße

Max

Autor: requirements engineer (Gast)
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D2 ist nicht nötig. Snubber über die Transistoren, wenn es zu arg 
klingelt. Mit den Gate-Widerständen kannst du noch ein wenig spielen. 
Parallel zu den Gates können so ein paar Nanofarad als Miller-Killer 
nicht schaden. Was für eine Gate-Gesamtladung haben die Transistoren? 
Was kann der Treiber?

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Max H. schrieb:
> Die Schaltung soll für eine Stromregelung von Ventilen dienen, wobei bis
> zu 2,5A fließen.
> Allerdings soll der Treiber für bis zu 60kHz ausgelegt sein
Wozu eine solch hohe Schaltfrequenz? Was sind das für hochdynamische 
Vantile? Mit einer Zeitkonstante von knapp 10ms würde auch eine 
wesentlich niedrigere Schaltfrequenz im Bereich um 1kHz ausreichen...

Autor: Hado (Gast)
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Überprüfe erst mal Lothars Annahme. Brauchst Du so hohe f? Wenn ja:

Der Bootstrapkondensator C5 ist - in jedem_ Falle  viel zu klein (!), 
besser 0,47 oder auch 1µF.

Und der Bootstrap-Widerstand R1 könnte bis 2,2Ohm verringert werden, 
eine 1N5819 würde sogar das Weglassen locker aushalten.

Vielleicht wäre das schon der Knackpunkt, ansonsten:

Die Gatewiderstände verringern, da würde ich erst mal mit 6,8Ohm testen. 
Am besten wäre der IR2184 auszunutzen, wenn Du zusätzlich Deine 
bisherigen 10Ohm den 6,8Ohm parallel schalten würdest - aber mit einer 
Diode zu den 10Ohm (und nur zu diesen) in Reihe, so daß diese nur das 
Ausschalten ein wenig niederohmiger als das Einschalten zulassen.

Autor: DCDC (Gast)
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Hallo,

ich denke das meiste ist schon gesagt worden, aber vielleicht noch kurz 
eine Anmerkung (auch wenn Ferndiagnosen kompliziert sind):

- die 10 Ohm sollten locker reichen (vermutlich sogar mehr) zum Ein- und 
Ausschalten, allerdings wie Hado sagt sollte schneller Aus-, als 
eingeschaltet werden, daher idealerweise Serienschaltung aus Diode und 
zweitem Widerstand parallel zu R3 und R2 (mit Katode in Richtung 
Gatetreiber). Normalerweise sollten auch höhere Widerstände (22R,33R 
etc) kein Problem sein.

- Der Bootstrapkondensator ist zwar am Limit, könnte aber gerade gehen. 
Die effektiv wirksame Gatekapazität ist ca. 3,75 nF beim IRFZ44N (bei 
12V) daher könnten theoretisch 47nF reichen, wobei das knapp ist, besser 
100nF,220nF ... 1uF.

- Der Widerstand R1 sollte eigentlich auch nicht nötig sein, wenn dann 
kann man den auch kleiner machen. Ich habe den Treiber mit 
Bootstrapkondensator 100nF und f=200kHz mit einer 1N4148 ohne eine 
Widerstand am laufen (mit dem IRFZ44N.

- Was einen wesentlichen Einfluss haben kann ist auch ggfs. das Layout, 
insbesondere ein schlechter Anschluss der Masseleitungen/rückführungen 
von den Sourceanschlüssen der Mosfets zum Treiber haben (zu große 
Induktivität im Treiberkreis bzw. induzierte Spg. die im 
Schaltaugenblick wirkt).

Gruß DC/DC

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Max H. schrieb:
> In der Simulation mit LTSpice funktioniert meine Schaltung einwandfrei.

Ziemlicher Aufwand halt, für ein schnödes 2.5A Magnetventil.

Autor: Max H. (maxfunke)
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Hallo,

erstmal danke für eure vielen und vor allem schnellen Antworten.

zu euren Fragen:

requirements engineer schrieb:
> Was für eine Gate-Gesamtladung haben die Transistoren?
> Was kann der Treiber?

Im Datenblatt des Transistors IRFZ44N steht, dass die Gesamtladung 63nC 
beträgt.
Der Treiber bringt laut Datenblatt 1,4A zum Aufladen der 
Transistorgates, was in Verbindung mit den Transistoren für die 
geforderten Schaltzeiten ausreichen sollte.

Lothar M. schrieb:
> Wozu eine solch hohe Schaltfrequenz? Was sind das für hochdynamische
> Vantile? Mit einer Zeitkonstante von knapp 10ms würde auch eine
> wesentlich niedrigere Schaltfrequenz im Bereich um 1kHz ausreichen...

Leider ist eine solch hohe Schaltfrequenz für unseren Anwendungsfall 
nötig. Genaueres weiß ich leider auch nicht über die Ventile. Der 
Frequenzbereich ist mir so vorgegeben worden.

Ich kann eure Vorschläge leider erst nächste Woche ausprobieren, da es 
sich um ein Projekt für die Uni handelt. Wenn ich sie umgesetzt habe, 
melde ich mich wieder und gebe euch Bescheid, ob sich etwas verbessert 
hat.

Danke nochmal und viele Grüße.

Max

Autor: der schreckliche Sven (Gast)
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Max H. schrieb:
> Meine Vermutung ist, dass die Transistor nicht schnell genug

60KHz sind deren tägliches Brot. Dafür sind sie gebaut.


> Die gesamte
> Schaltung ist auf einem Breadboard aufgebaut.

Warum gibt es sowas überhaupt?

Warum ist da "M2"??
Und warum ist D2 eine Z-Diode für 12 Volt? Könnte sein, daß die bei 12 
Volt Betriebsspannung bereits leitend wird.

Ich würde für D2 eine Schottky-Diode für ein paar Ampere (z.B. SB550) 
einbauen und auf M2 verzichten.

Autor: Max H. (maxfunke)
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Hallo zusammen,

danke nochmal für die vielen hilfreichen Tipps. Ich hab die Schaltung 
nach dem Bild im Anhang aufgebaut und gelötet und es hat sich deutlich 
gebessert. Der High-Side-MOSFET wird zwar immer noch relativ heiß, es 
hält sich aber in vertretbaren Grenzen und lässt sich durch Kühlung 
wahrscheinlich in den Griff bekommen.

Das einzige was mich noch ein wenig stört, ist die verzehrte Form des 
Signals bei 60kHz. Ich habe zwei Fotos der Oszilloskopmessungen gemacht. 
Einmal ohne angeschlossener Last und einmal mit. Habt ihr eine Idee, wie 
ich diese Überschwinger vermeiden kann und ein schöneres Rechtecksignal 
bekomme? Oder muss ich mit dieser Signalform leben?

Meine Schaltung ist im Moment mit normalen Aderleitungen mit 
Bananenstecker an den Funktionsgenerator angeschlossen, weil ich keine 
anderen Mittel zur Verfügung habe. Könnte ich durch Koaxleitungen mit 
BNC-Anschluss bessere Ergebnisse erwarten?

der schreckliche Sven schrieb:
> Warum ist da "M2"??
Es soll eine Halbbrücke sein, sodass die Induktionsspannung des Ventils 
im Aus-Zustand durch M2 kurzgeschlossen wird. Ich hab es auch schon mit 
einem High-Side-Treiber und einer Freilaufdiode versucht, allerdings 
wurde diese sehr heiß und dass Signal war auch nicht so schön.

Ich hoffe, ihr könnt mir noch weitere gute Hinweise geben.

Viele Grüße
Max

Autor: der schreckliche Sven (Gast)
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Max H. schrieb:
> bei 60kHz.

Das glaube ich nicht so richtig. Time/div ?

Rot eingekreist sieht man die Totzeit.
Laut Datenblatt 500 nS.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Max H. schrieb:
> Auch bei meinen Messungen mit dem Oszilloskop macht die
> Schaltung bei Frequenzen bis zu 10kHz ausgangsseitig ein gutes
> Rechtecksignal.

Was meinst du mit Rechtecksignal?

Ventilspulen brauchen Strom und bei der niedrigen Spannung bekommst du 
nichtmal annäherungsweise einen rechteckigen Stromverlauf hin - wozu 
auch. Die Spannung ist für die Kraft auf den Kolben ziemlich egal.
Für ein Proportionalventil brauchst du eine Stromregelung. Sonst 
verschiebt sich beispielsweise die Kennlinie, wenn die Spule warm wird. 
Und wer will das schon.

Vielleicht schreibst du mal, was du eigentlich mit deiner Schaltung 
bezweckst.

> Allerdings soll der Treiber für bis zu 60kHz ausgelegt
> sein und bei diesen Frequenzen werden die Transistoren leider sehr heiß
> und das Signal ist sehr verzerrt.

Was sollen die 60kHz. Du brauchst eine gewisse mechanische Vibration, 
damit der Kolben in Gleitreibung bleibt und dazu darf die Frequenz nicht 
so hoch sein, weil da die mechanische Trägheit im Weg ist.

Autor: Klaus (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Was sollen die 60kHz. Du brauchst eine gewisse mechanische Vibration,
> damit der Kolben in Gleitreibung bleibt und dazu darf die Frequenz nicht
> so hoch sein, weil da die mechanische Trägheit im Weg ist.

Wenn nicht die 60kHz wären, würd ich einfach eine fertige Halbbrücke wie 
den BTS7960 nehmen. Der abeitet ab 3,3V Logigpegel aber nur bis 25kHz. 
Da ist allermöglicher Schutz, auch vor zu hohen Temperaturen schon mit 
drin.

MfG Klaus

Autor: Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)
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Ein paar Design-Inputs:

1. Die 4n7-Kondensatoren in der Gate-Ansteuerung sind Unsinn: Dadurch 
verliert die Totzeitschaltung mit den Dioden ihre Funktion. Also weg mit 
den Kondensatoren; die Widerstände in Serie zu den Dioden können auch 
weg, wenn nix zu schwingen anfängt.
2. Die Schottky-Diode im Bootstrap-Kreis ist ein Overkill: Wenn sie heiß 
wird, hat sie einen Rückwärtsstrom, der schon in den Bereich einiger 
100uA geht. Versuch mal ein kleineres Modell, so was wie BAT54 oder 
BAT85.
3. Ist die Gatesteuerung mit einer schönen Ground-Plane versehen oder 
zumindest so verdrahtet, daß nur geringe Parasitärinduktivitäten in der 
Gatesteuerung wirken?
4. Treiber-Versorgung von der Leistungsseite entkoppeln: Wenn ich 
richtig liege, ist der Gesamt-Stromverbrauch des Treibers <100mA; da 
kannst Du locker einen 4R7 bis 10R-Widerstand gepaart mit 10uF MLCC+10uF 
Tantal als Filter und Spg-Puffer einsetzen.

Autor: Max H. (maxfunke)
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Hallo zusammen,

der schreckliche Sven schrieb:
> Das glaube ich nicht so richtig. Time/div ?

Time/div ist auf dem Bild ca. 3us, also müsste es schon auf ca. 60kHz 
kommen.

Wolfgang schrieb:
> Was meinst du mit Rechtecksignal?
>
> Ventilspulen brauchen Strom und bei der niedrigen Spannung bekommst du
> nichtmal annäherungsweise einen rechteckigen Stromverlauf hin - wozu
> auch. Die Spannung ist für die Kraft auf den Kolben ziemlich egal.
> Für ein Proportionalventil brauchst du eine Stromregelung.

Da hast du Recht. Der Stromverlauf ist nicht rechteckförmig und soll es 
auch nicht sein. Allerdings nehme ich die Rechteckform der Spannung als 
Qualitätsmerkmal meiner Schaltung, weil diese ja im Idealfall genau 
rechteckförmig sein soll.

Wolfgang schrieb:
> Vielleicht schreibst du mal, was du eigentlich mit deiner Schaltung
> bezweckst.

Es geht um die Ansteuerung von Hydraulikventilen für Dämpfer.

Wolfgang schrieb:
> Was sollen die 60kHz. Du brauchst eine gewisse mechanische Vibration,
> damit der Kolben in Gleitreibung bleibt und dazu darf die Frequenz nicht
> so hoch sein, weil da die mechanische Trägheit im Weg ist.

Die 60kHz sind mir so vorgegeben. Warum es eine so hohe Frequenz sein 
muss ist mir auch schleierhaft, aber ich muss es so hinnehmen.
Um das Problem der Haftreibung zu umgehen, ist dem Tastgrad des 
PWM-Signals ein Dithersignal überlagert. Das ist allerdings für die 
Funktion der Schaltung egal.

Jürgen W. schrieb:
> 3. Ist die Gatesteuerung mit einer schönen Ground-Plane versehen oder
> zumindest so verdrahtet, daß nur geringe Parasitärinduktivitäten in der
> Gatesteuerung wirken?

Im Moment ist die Schaltung auf eine Streifenrasterplatine gelötet. Ich 
denke, das ist auch noch nicht optimal. Aber wenn das Schaltungsdesign 
steht, werde ich eine Platine anfertigen lassen.

Jürgen W. schrieb:
> 4. Treiber-Versorgung von der Leistungsseite entkoppeln: Wenn ich
> richtig liege, ist der Gesamt-Stromverbrauch des Treibers <100mA; da
> kannst Du locker einen 4R7 bis 10R-Widerstand gepaart mit 10uF MLCC+10uF
> Tantal als Filter und Spg-Puffer einsetzen.

Kannst du nochmal genauer erklären, was du damit meinst? Soll ich einen 
RC-Tiefpass vor den Versorgungspin des Treibers bauen?

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